CN109283588B - 重建粒子径迹的方法和设备、以及检查方法和检查设备 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法和设备、以及检查方法和检查设备。所述方法包括：利用宇宙射线粒子探测器探测宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管，在所述宇宙射线粒子的作用下，所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子产生漂移；利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点；根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
Description
技术领域
本公开涉及对辐射检测技术，具体涉及一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法和设备、以及对诸如集装箱卡车之类的被检查物体进行检查的设备和方法。
背景技术
宇宙射线成像技术利用自然界天然存在的宇宙射线为辐射源，穿透力强，无外加辐射，已被证实可用于检查核燃料、核废料、屏蔽体等高原子序数材料，以及毒品、***物等中-低原子序数材料。
宇宙射线检查与物质识别的关键在于宇宙射线粒子的径迹重建方法。目前的径迹重建方法，主要通过线性拟合和迭代算法来获取最优解，迭代初值为经验选取。这种径迹重建方法过于依赖经验，当初值偏离较多或漂移管性能差异大时，会产生较大误差，定位准确度和重建效果不佳。
发明内容
考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法和设备、以及对诸如集装箱卡车之类的被检查物体进行检查的设备和方法。
在一个方面，提供一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法，包括以下步骤：
利用宇宙射线粒子探测器探测宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管，在所述宇宙射线粒子的作用下，所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子产生漂移；
利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点；
根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；
基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
可选地，所述方法还可以包括：
响应于所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移，输出至少2个漂移响应信号；和
记录产生所述至少2个漂移响应信号的至少2个响应时刻，
其中，根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间，包括：
分别计算所述至少2个响应时刻与所述时间零点的差值，将所述差值分别作为所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间。
可选地，所述利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点的步骤包括：
响应于所述宇宙射线粒子入射至所述至少一个闪烁体，输出至少一个闪烁体响应信号；和
记录产生所述至少一个闪烁体响应信号的闪烁体响应时刻，将该闪烁体响应时刻确定为所述时间零点。
可选地，所述方法还包括：利用所述至少一个闪烁体，测量宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，
其中，所述根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹的步骤包括：
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置以及测量出的宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
可选地，所述基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置的步骤包括：
基于预先建立的漂移时间与漂移距离之间的对应关系，确定所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移距离；和
基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
可选地，所述方法还包括：确定所述至少2个漂移管的编号；和根据所述编号，确定所述至少2个漂移管中每一个的中心位置，
其中，所述基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置的步骤包括：
基于所述漂移距离和所述中心位置，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
在另一方面，还提供一种检查方法，包括以下步骤：
利用宇宙射线粒子探测器探测入射至被检查物体的宇宙射线粒子和从被检查物体出射的宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管；
利用上述任一项所述的方法，重建入射至被检查物体的宇宙射线粒子的入射径迹；
利用上述任一项所述的方法，重建从被检查物体出射的宇宙射线粒子的出射径迹；
基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值；和
利用所述散射特性值，识别所述被检查物体的材料属性。
可选地，所述检查方法还包括：利用所述至少一个闪烁体，测量宇宙射线粒子的平均动量。
可选地，所述基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值的步骤包括：
计算所述入射径迹与所述出射径迹之间的散射角度；
计算散射角度的均方根；和
基于所述均方根和所述平均动量，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值。
可选地，所述基于所述均方根和所述平均动量，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值的步骤包括：通过下式计算散射特性值：
其中，σθ为散射角度的均方根，p为入射粒子的平均动量，L为所述被检查物体被宇宙射线粒子穿过的材料的厚度。
在又一方面，提供一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的设备，包括：
至少一个闪烁体，用于测量宇宙射线粒子入射至所述设备的时间零点；
多个漂移管，所述多个漂移管被配置为：在所述宇宙射线粒子作用下，所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子产生漂移；和
计算装置，所述计算装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时实现以下步骤：
根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；
基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
可选地，所述多个漂移管包括：
位于至少2个第一漂移管层且沿第一方向布置的多个第一漂移管；和
位于至少2个第二漂移管层且沿不同于第一方向的第二方向布置的多个第二漂移管。
可选地，位于同一个第一漂移管层中的2个相邻的第一漂移管的中心位置之间的距离大于第一漂移管的直径。
可选地，所述多个漂移管还被配置为：响应于所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移，输出至少2个漂移响应信号；和
记录产生所述至少2个漂移响应信号的至少2个响应时刻，以及
其中，根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间，包括：
分别计算所述至少2个响应时刻与所述时间零点的差值，将所述差值分别作为所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间。
可选地，所述至少一个闪烁体被配置为：
响应于所述宇宙射线粒子入射至所述至少一个闪烁体，输出至少一个闪烁体响应信号；和
记录产生所述至少一个闪烁体响应信号的闪烁体响应时刻，将该闪烁体响应时刻确定为所述时间零点。
可选地，所述至少一个闪烁体还用于测量宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，以及
其中，根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹包括：
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置以及测量出的宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
可选地，基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，包括：
基于预先建立的漂移时间与漂移距离之间的对应关系，确定所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移距离；和
基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
可选地，当所述指令被所述处理器执行时还实现以下步骤：确定所述至少2个漂移管的编号；和根据所述编号，确定所述至少2个漂移管中每一个的中心位置，以及
其中，基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，包括：
基于所述漂移距离和所述中心位置，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
在另一方面，还提供一种检查设备，包括：
第一宇宙射线粒子探测器，设置在被检查物体的第一侧，用于重建入射至被检查物体的宇宙射线粒子的入射径迹；和
第二宇宙射线粒子探测器，设置在被检查物体的与所述第一侧相对的第二侧，用于重建从被检查物体出射的宇宙射线粒子的出射径迹，
其中，所述第一宇宙射线粒子探测器和所述第二宇宙射线粒子探测器中的至少一个为上述任一项所述的设备。
可选地，所述检查设备还包括：控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时实现以下步骤：
基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值；和
利用所述散射特性值，识别所述被检查物体的材料属性。
可选地，当所述指令被所述处理器执行时，还实现上述任一项所述的检查方法。
利用上述方案，有助于获取重建宇宙射线粒子的径迹所需的真实时间零点，从而更准确地重建宇宙射线粒子径迹。
附图说明
为了更好地理解本发明，将根据以下附图对本发明进行详细描述：
图1示出了根据本公开实施例的检查设备的结构示意图；
图2示出了如图1所示的控制器的结构框图；
图3示出了根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器的立体示意图；
图4示出了根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器在XZ平面内的平面示意图；
图5示出了根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器的闪烁体的结构示意图；
图6示出了根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器的漂移管的结构示意图；
图7示意性示出了根据本公开实施例的宇宙射线粒子穿过一组探测器的示意图；
图8A示出了多个漂移管紧密排列的示意图；
图8B示出了多个漂移管稀疏排列的示意图；
图9A示出了根据本公开实施例的检查设备中宇宙射线粒子探测器的布置示意图；
图9B是描述根据本公开另一实施例的宇宙射线粒子探测器的布置示意图；
图9C是描述根据本公开另一实施例的宇宙射线粒子探测器的布置示意图；
图9D是描述根据本公开另一实施例的宇宙射线粒子探测器的布置示意图；
图10是根据本公开实施例的用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法的示意性流程图；和
图11是根据本公开实施例的检查方法的示意性流程图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本公开的实施例中，提出使用宇宙射线产生的次级粒子对被检查物体进行检查。宇宙射线经过大气层到达海平面时的主要粒子为缪子(μ)和电子(e)，数量比例约为10∶1。缪子平均能量强，约为3/4GeV，质量约为负电子的206倍，通量约为10000/(minute*m2)。经测量，能量为4GeV的缪子在铅等高Z物质中的最大穿透深度超过一米，而更高能量的缪子可穿透数十米的岩石和金属，故宇宙射线缪子可穿透集装箱车辆/货物可能存在的重核物质进行检测。在本文中，宇宙射线粒子可以指宇宙射线产生的次级粒子，例如缪子(μ)和电子(e)。
此外，根据本公开的实施例，例如缪子的宇宙射线粒子穿过物质时会发生多次库仑散射，偏离其原先的轨道，散射角度和物质的原子序数存在对应关系，故可通过测量宇宙射线粒子穿过物质后的散射角分布进行材料识别。另外，例如电子的宇宙射线粒子散射作用明显，在探测区域内穿过一定厚度的中/低Z物质容易发生大角度偏转或被吸收，可以分析毒品/***物等低Z物质的分布情况。例如事先建立散射角度和/或吸收特性与各种原子序数的物质之间的对应关系或者分类曲线，然后在实际检查过程中通过采集得到的被检查物体的散射角和/或吸收特性得到相应的原子序数值，从而确定被检查物体中的材料属性。
图1示出了根据本公开实施例的检查设备的结构示意图。如图1所示，检查设备100包括宇宙射线粒子探测器160、控制器140和监控设备150，对诸如集装箱卡车之类的被检查物体120进行安全检查，例如判断其中是否包含了核材料和/或毒品等违禁品。例如，宇宙射线粒子探测器160包括用于探测入射至被检查物体120的宇宙射线粒子的特征信息的入射宇宙射线粒子探测器110、和用于探测经过被检查物体120后从被检查物体120射出的宇宙射线粒子的特征信息的出射宇宙射线粒子探测器130。例如，所述特征信息可以包括宇宙射线的位置、散射角度等信息。
需要说明的是，本文中的表述“探测器”可以包括射线(粒子)探测器和数据采集装置，为了描述方便，将其统称为“探测器”。并且，所述射线(粒子)探测器和所述数据采集可以集成在一起形成单一设备。或者，所述射线探测器和所述数据采集装置也可以分开形成。
图2示出了如图1所示的控制器的结构示意图。如图2所示，宇宙射线粒子探测器110、130探测的信号通过数据采集器采集，数据通过接口单元147和总线143存储在存储器141中。只读存储器(ROM)142中存储有计算机数据处理器的配置信息以及程序。随机存取存储器(RAM)143用于在处理器145工作过程中暂存各种数据。另外，存储器141中还存储有用于进行数据处理的计算机程序，例如物质识别程序和图像处理程序等等。内部总线143连接上述的存储器141、只读存储器142、随机存取存储器143、输入装置144、处理器145、显示装置146和接口单元147。
在用户通过诸如键盘和鼠标之类的输入装置144输入的操作命令后，计算机程序的指令代码命令处理器145执行预定的数据处理算法，在得到数据处理结果之后，将其显示在诸如LCD显示器之类的显示装置146上，或者直接以诸如打印之类硬拷贝的形式输出处理结果。
图3是根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器的立体示意图。请参照图3，根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器160可以包括位于被检查物体120上侧的第一组宇宙射线粒子探测器110和位于被检查物体120下侧的第二组宇宙射线粒子探测器130。第一组宇宙射线粒子探测器110用于探测入射至被检查物体120的宇宙射线的特征信息，所以也可以称为入射宇宙射线粒子探测器。第二组宇宙射线粒子探测器130用于探测经过被检查物体120后从被检查物体120射出的宇宙射线的特征信息，所以也可以称为出射宇宙射线粒子探测器。
图4是根据本公开实施例的宇宙射线粒子探测器的平面示意图。例如，图4是图3在XZ平面内的平面图。结合图3和图4所示，第一组宇宙射线粒子探测器110可以包括闪烁体31、第一漂移管组32和第二漂移管组33。闪烁体31、第一漂移管组32和第二漂移管组33以依次靠近被检查物体120的方式布置。闪烁体31、第一漂移管组32和第二漂移管组33均布置在被检查物体120的上侧，用于探测将入射至被检查物体120中的宇宙射线的特征信息，例如，入射的宇宙射线粒子径迹30的位置和角度(即，XYZ三维空间中的方向)。
第二组宇宙射线粒子探测器130可以包括第三漂移管组34、第四漂移管组35和闪烁体36。第三漂移管组34、第四漂移管组35和闪烁体36以依次远离被检查物体120的方式布置。第三漂移管组34、第四漂移管组35和闪烁体36均布置在被检查物体120的下侧，用于探测穿过被检查物体120后从被检查物体120出射的宇宙射线的特征信息，例如，出射的宇宙射线粒子径迹30′的位置和角度(即，XYZ三维空间中的方向)。
例如，闪烁体31可以采用诸如闪烁纤维、闪烁体平板、闪烁体条耦合移波光纤等结构。当例如缪子的宇宙射线粒子入射到闪烁体31内后，入射的宇宙射线粒子损失能量，使闪烁体31内的原子电离、激发，在退激发时就会发射出荧光。在发射光子数达到最大值之前的过程是闪烁体31发光的增加过程，时间一般为纳秒(ns)量级。闪烁体具有高发光效率、发光衰减时间短、良好的光学性质等优点，适合用于时间测量。如图5所示，在闪烁体31两端安装光电倍增管(PMT)或硅光电倍增器(SiPM)等光子计数器51，宇宙射线粒子(例如缪子)穿过闪烁体31时产生的荧光光子在PMT的光阴极上产生光电子(即带电粒子)，电子在两个电极之间受电场作用下不断加速，倍增后产生更多的电子，电子汇聚形成的电流经过负载电阻后以电压信号输出。
闪烁体36可以具有与闪烁体31相同的结构和配置，在此不再赘述。
返回结合参照图3和图4，第一漂移管组32可以包括第一漂移管层321、第二漂移管层322、第三漂移管层323和第四漂移管层324。第一漂移管层321可以包括沿第一方向(在图示的实施例中，第一方向为X方向)布置的多个漂移管600，第二漂移管层322也包括沿第一方向布置的多个漂移管600。第三漂移管层323可以包括沿第二方向(在图示的实施例中，第二方向为Y方向)布置的多个漂移管600，第四漂移管层324也包括沿第二方向布置的多个漂移管600。
图6示出了根据本公开实施例的漂移管的示意图，其中例如缪子的宇宙射线粒子穿过所述漂移管。漂移管600可以包括用作阴极的金属管601和用作阳极的金属丝602，金属丝602位于金属管601的中央位置并且沿金属管601的轴向方向延伸。金属管601内填充有气体，例如3个大气压的氩和二氧化碳的混合气体。在工作时，可以施加约+2～3kV的高压给金属丝602，并且使金属管601接地，以使得金属丝601与金属管602之间形成高压静电场。当例如缪子的宇宙射线粒子穿过漂移管600时，宇宙射线粒子与气体原子相互作用，导致许多例如电子610的带电粒子朝着带正电的阳极金属丝602漂移。
例如，金属管601可以为铝管，其内径为30mm；金属丝602可以为镀金钨丝，其直径为约50μm。按照漂移管600的设计，在所选用的气体和电场条件下，电子610在漂移管中的漂移速度为设计值，例如，为30μm/ns。漂移速度乘以漂移时间，即可以得到漂移距离。由于漂移速度为设计值，即其为一定值，所以，可以预先建立的漂移管的漂移时间-漂移距离关系。而且电子610的漂移距离由宇宙射线粒子穿过漂移管600的位置决定，通过计算出的漂移距离，可以确定宇宙射线粒子穿过漂移管600的位置。当宇宙射线粒子穿过多个漂移管600的位置均被确定出来时，可以重建宇宙射线粒子的径迹。
具体地，当电子610碰撞金属丝602时，可以记录该碰撞发生的时刻T1，另外还可以确定宇宙射线粒子开始进入所述漂移管600的时间零点T0，那么，漂移时间ΔT1＝T1-T0。根据预先建立的漂移管的漂移时间-漂移距离关系，可以计算出漂移距离。
在较短时间范围内，能够同时被相隔一定距离的两层、三层或数层宇宙射线粒子探测器接收的粒子即是同一个宇宙射线粒子，记这种相隔一定距离的两层、三层或数层探测器为一组。例如，上述的宇宙射线粒子探测器110、130。通过电子学***例如数据采集装置记录接收到粒子的位置、接收时间和能量等，通过接收时间差分析，计算粒子行走径迹和作用位置。例如，将不同探测器很短时间(如1纳秒)内接收到的两个粒子认为是属于相同的来源。此外，通过一组探测器可以确定粒子的入射径迹，通过被检查物体另一侧的一组探测器可以确定粒子的出射径迹，从而基于入射径迹和出射径迹确定被检查物体对宇宙射线作用的位置和散射角度。
图7示意性示出了宇宙射线粒子穿过根据本公开实施例的探测器。在图7中，示出了宇宙射线粒子P依次穿过探测器的闪烁体31、第一漂移管层321、第二漂移管层322。为了方便描述，定义闪烁体31位于Z＝Z0的平面内，第一漂移管层321位于Z＝Z1的平面内，第二漂移管层322位于Z＝Z2的平面内。
在本公开的实施例中，宇宙射线粒子P以近似光速的速度穿过探测器，即，可以认为，宇宙射线粒子P开始穿过闪烁体31、第一漂移管层321、第二漂移管层322的时刻非常接近。具体地，漂移时间一般为微秒量级，从宇宙射线粒子进入探测器到闪烁体31产生电子学响应的时间约为几纳秒，此时间对微秒量级的漂移时间而言足够短，因此，可以将闪烁体31产生电子学响应的时刻作为真实的时间零点，即，可以将闪烁体31产生电子学响应的时刻作为时间零点T0。同时，记录闪烁体31上的响应位置在X轴上的坐标值，例如为X0。
在较短时间范围内，对于某一个宇宙射线粒子，第一漂移管层321中的一个漂移管600和第二漂移管层322中的一个漂移管600会产生响应。可以记录第一漂移管层321中的产生响应的漂移管600的编号为ID1X，响应的时刻为T1；以及记录第二漂移管层322中的产生响应的漂移管600的编号为ID2X，响应的时刻为T2。
然后，可以计算漂移时间。在编号为ID1X的漂移管600中，漂移时间ΔT1＝T1-T0；以及在编号为ID2X的漂移管600中，漂移时间ΔT2＝T2-T0。根据预先建立的漂移时间-漂移距离关系，得到对应的漂移距离分别为r1和r2。同时，根据编号为ID1X、ID2X的漂移管600与中心位置的对应关系，得到编号为ID1X、ID2X的漂移管600的中心位置(例如漂移管的中心轴线)在X轴上的坐标值XID1和XID2。
在确定宇宙射线粒子P入射至漂移管600的位置之后，可以进行线性拟合步骤，以拟合出宇宙射线粒子P的径迹。如图所示，可以分别以编号为ID1X、ID2X的漂移管600的中心位置为圆心，以漂移距离r1和r2为半径，画出漂移圆(图中虚线圆形示出)。将宇宙射线粒子径迹与漂移圆的切点位置分别映射至Z＝Z1和Z＝Z2的平面上，分别得到两组对称的位置，即4个位置，该4个位置在X轴上的坐标值分别为：XID1±r1/cosθ和XID2±r2/cosθ，其中，θ为宇宙射线粒子径迹与垂直方向的夹角。在平面内，两个点可以确定一条直线。因此，位于Z＝Z1平面上的两个位置与位于Z＝Z2的平面上的两个位置可以两两组合形成4条直线，如图所示的直线L1、L2、L3和L4。
4条直线L1、L2、L3和L4中只有一条是真实的径迹，在根据本公开的实施例中，可以执行位置筛选步骤：延长直线至闪烁体所在的Z＝Z0的平面，并选择最接近位置X0且误差范围在预设范围内的直线，如图所示的直线L1，作为宇宙射线粒子的真实径迹。以此方式，重建了宇宙射线粒子的径迹。
在本公开的实施例中，将漂移管和闪烁体组合，有助于获取重建宇宙射线粒子径迹所需的真实时间零点，以挑选出最符合实际情况的径迹，从而可以更准确地重建宇宙射线粒子径迹。
在上述实施例中，通过漂移时间确定漂移距离之后，可以不直接确定宇宙射线粒子径迹与漂移圆的切线方向，如图7中虚线径迹为干扰径迹。在未设置闪烁体的纯漂移管***中，需要遍历所有分布情况，找出线性拟合度最佳的一组。在本公开的实施例中，加入一层闪烁体后，通过宇宙射线粒子在闪烁体上的作用位置(例如上述的位置X0)，不需要闪烁体31具有很高的空间分辨力，可以容易地筛选出真实的径迹，而且准确率高，大大简化了数据处理流程。
在上面的描述中，详细描述了宇宙射线粒子的径迹在XZ平面内的重建方法，应该理解的是，可以根据宇宙射线粒子P依次穿过探测器的闪烁体31、第三漂移管层323、第四漂移管层324的示例来重建宇宙射线粒子在YZ平面内的径迹，所述重建方法可以与上述在XZ平面内的重建方法相同，在此不再赘述。
因此，根据第一组宇宙射线粒子探测器110探测的数据，并且基于上面的重建方法，可以重建宇宙射线粒子在XZ和YZ平面内的径迹，从而可以重建宇宙射线粒子P在空间坐标系中入射至被检查物体120的入射径迹。
类似地，根据第二组宇宙射线粒子探测器130探测的数据，并且基于上面的重建方法，可以重建宇宙射线粒子在XZ和YZ平面内的径迹，从而可以重建宇宙射线粒子P在空间坐标系中通过被检查物体120后出射的出射径迹。
在根据本公开实施例的重建宇宙射线粒子径迹的方法中，每一组探测器均包括闪烁体与漂移管的组合，通过加入闪烁体，既可以提供漂移管定位所需的宇宙射线粒子入射的时间零点，又有助于挑选出最符合真实情况的径迹。
在本公开的实施例中，通过重建宇宙射线粒子P入射至被检查物体120的入射径迹以及穿过被检查物体120后出射的出射径迹，可以确定出宇宙射线粒子P穿过被检查物体120后的散射角度，而散射角度分布和物质的原子序数存在对应关系，可以基于事先建立的散射角度分布与各种原子序数的物质之间的对应关系或者分类曲线，确定被检查物体120中的材料属性。
在上述实施例中，在被检查物体120的顶面和底面各布置一组探测器110、130，每组探测器110、130含有三个平行超层，即闪烁体所在超层和2个漂移管组所在超层，每个漂移管组包括4个漂移管层，以获取X轴、Y轴位置。具体地，在4个漂移管层组成的漂移管组中，使用两层漂移管(例如漂移管层321、322)测量X轴位置，使用另两层漂移管(例如漂移管层323、324)测量Y轴位置，从而可以避免漂移管管壁或管间空隙造成探测效率的损失。在其它实施例中，一个漂移管组可以包括少于4层的漂移管，例如，一个漂移管组可以包括2层漂移管，其中一层漂移管用于测量X轴位置，另一层漂移管用于测量Y轴位置；一个漂移管组可以包括多于4层的漂移管，例如，一个漂移管组可以包括6层漂移管，其中三层漂移管用于测量X轴位置，另三层漂移管用于测量Y轴位置。
在本公开的实施例中，漂移管层中的漂移管可以采用稀疏排列，从而有效降低制造成本。
如图8A和图8B所示，分别示出了漂移管紧密排列和稀疏排列的示意图。每个漂移管的半径为R，漂移管层的总长度为L。在紧密排列的情况下，如图8A所示，所需的漂移管数量为N1＝L/2R。在稀疏排列的情况下，相邻两层漂移管连线的水平角为α(0°＜α＜60°)，所需的漂移管数量为N2＝L/(4R·cosα)。所以，稀疏排列所需的漂移管数量约为紧密排列所需的漂移管数量的1/(2cosα)。当α＝30°时，可节约42.26％的漂移管；当α＝45°时，可节约29.29％的漂移管。在上述实施例中，漂移管的布置可覆盖所有入射角的宇宙射线粒子，可以在节约漂移管数量的情况下不影响整体探测效率。
可选地，还可将探测器组分别设置于被检查物体的两侧，甚至前后面，采用多面探测器测量方式，如四组(上下面、两侧面)、六组(上下面、两侧面、前后面)等。如图9A所示，探测器组包括上探测器910，下探测器911，左探测器912，右探测器913，前探测器915和后探测器914，分布在被检查物体120的周围。为增加粒子探测的效率，还可以采用上下面水平或倾斜、两侧探测器与地面保持一定角度(呈外张的U型排布)的探测器布置。
在其他实施例中，为了提高检查效率，让被检查物体120快速通过扫描通道，可以在行走方向上使用连续的大面积探测器，以获得足够多的粒子信息。记被检查物体120进入通道入口的时刻为t1，离开出口的时刻为t2，车辆总长为I，车速保持v米/秒左右，通道总长度约为。此外，还可采用小面积探测器或分段式探测器对被检查物体的指定区域进行停车检查，如图9B、图9C和图9D所示。将被检查物体120停至测量区域，进行检查。例如可疑物121正好在小面积的上探测器920和小面积的下探测器921之间的位置，从而方便检查。
如图9C和9D所示，小面积探测器921或分段式底面探测器922、923和924可埋于地下，被检查物体的可疑区域121正好位于顶面探测器920和底面探测器921中间。也可使底面探测器922，923和924凸出在地面上，正好被车轮部分隔开。采用这种小面积或分段式探测器虽然可能采集数据量不及连续的大面积探测器完整，但是可降低探测器设计、***搭建和维修的难度，简化***结构，减少软硬件成本。
在一些实施例中，采用连续大面积位置灵敏探测器检测运动车辆的轨迹。由于车辆在检查通道中运动，因此需要采用监控设备150记录车辆的行驶轨迹，以便与探测器探测到的宇宙射线粒子位置进行符合。常规的方法有视频定位、光路定位和压力传感等。由于车辆缓慢前行，路线近似直线，对监控设备150的要求无需过高。如采用多摄像头进行视频跟踪时，仅需顶视摄像头即可满足定位要求。在其他实施例中，在采用光路定位时，仅需在车辆一侧放置一列光路即可。
根据本公开的实施例，扫描过程中产生的大量数据可通过无线传输或光缆、网线等线路传输到后端的数据处理工作站。相比无线方式，推荐采用有线传输方式，其不但可以保证数据传输的速度，降低信号在传输过程中的损失，提高信号传输的抗干扰能力，还可以在很大程度上降低数据采集的技术难度和成本。
另一方面，本公开的实施例可以提供一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法，如图10所示，所述方法可以包括以下步骤：
S101、控制宇宙射线粒子穿过宇宙射线粒子探测器，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管，使得所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子漂移；
S102、利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点；
S103、根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；
S104、基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和
S105、根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
结合参照图6，上述方法还可以包括：响应于至少2个漂移管600中的带电粒子的漂移，输出至少2个漂移响应信号；和记录产生至少2个漂移响应信号的至少2个响应时刻。
可选地，上述步骤S104可以具体包括：分别计算所述至少2个响应时刻与所述时间零点的差值，将所述差值分别作为所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间。
结合参照图5，可选地，上述步骤S102可以具体包括：响应于宇宙射线粒子P入射至至少一个闪烁体31，输出至少一个闪烁体响应信号；和记录产生所述至少一个闪烁体响应信号的闪烁体响应时刻，将该闪烁体响应时刻确定为所述时间零点。
结合参照图7，上述方法还可以包括：利用至少一个闪烁体31，测量宇宙射线粒子入射至闪烁体31的位置，例如图7中的位置X0。
可选地，上述步骤S105可以具体包括：根据确定出的宇宙射线粒子入射至至少2个漂移管的位置(例如，图7中示出的位置)以及测量出的宇宙射线粒子入射至闪烁体31的位置(例如图7中的位置X0)，拟合出宇宙射线粒子P的径迹。
根据另一方面，本公开的实施例还提供一种检查方法，如图11所示，所述检查方法可以包括以下步骤：
S111、例如利用上述的宇宙射线粒子探测器，探测入射至被检查物体的宇宙射线粒子和从被检查物体出射的宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管；
5112、重建入射至被检查物体的宇宙射线粒子的入射径迹；
S113、重建从被检查物体出射的宇宙射线粒子的出射径迹；
S114、基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值；和
S115、利用所述散射特性值，识别所述被检查物体的材料属性。
在步骤5112和5113中，可以利用上文描述的重建方法重建所述入射径迹和所述出射径迹。
可选地，闪烁体31、36可以适用于纳秒(ns)量级的时间测量，这样，宇宙射线粒子以光速穿过闪烁体时，其穿过探测区域的时间也是纳秒量级，可以利用闪烁体31、36直接测量宇宙射线粒子的传播时间，从而直接计算获得宇宙射线粒子的动量。
可选地或附加地，闪烁体31、36的输出脉冲幅值与入射的宇宙射线粒子的动量成正比，通过测量闪烁体31、36的输出脉冲幅值，也可以计算出宇宙射线粒子的动量。考虑到脉冲幅值实际测量准确度的问题，还可以将宇宙射线粒子的动量分为多级，例如，将宇宙射线粒子的动量分级记录为(ΔE，2ΔE，…，NΔE)。
以此方式，通过利用闪烁体获取宇宙射线粒子的动量，然后将该动量用于宇宙射线成像与物质识别参数的计算，从而可以有效提高检查***的识别效果。
这样，根据本公开实施例的检查方法还可以包括：利用所述至少一个闪烁体，测量宇宙射线粒子的平均动量。
可选地，上述步骤S114可以具体包括：
计算所述入射径迹与所述出射径迹之间的散射角度；
计算散射角度的均方根；和
基于所述均方根和所述平均动量，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值。
具体地，可以利用下面的散射密度(scattering density)计算公式，来计算散射特性值：
其中，σθ为散射角度的均方根，p为入射粒子的平均动量，L为被检查物体120被宇宙射线粒子穿过的材料的厚度。例如，将不同探测器很短时间(如1纳秒)内接收到的两个粒子认为是属于相同的来源。此外，通过第一组探测器可以确定粒子的入射径迹，通过被检查物体另一侧的一组探测器可以确定粒子的出射径迹，从而基于入射径迹和出射径迹确定被检查物体对宇宙射线作用的位置和散射角度。再如，上述的平均动量可以根据闪烁体的探测值计算得到。
在此基础上，还可以利用下面的阻挡能力计算公式，计算阻挡能力值：
其中，Nscatter/(ascatter·tscatter)表示在tscatter时间内ascatter成像面积或体积上探测到的与物质发生散射作用的粒子个数Nscatter，Nstop/(astop·tstop)表示在tstop时间内astop成像面积或体积上与物质发生阻挡作用的粒子个数Nstop，p为入射粒子的平均动量，L为被检查物体120被宇宙射线粒子穿过的材料的厚度。若某个粒子在短时间内同时被入射探测器探测和出射探测器接收，则认为是散射粒子；若进入测量区，但仅在入射探测器探测，出射探测器没有接收信息，则认为是被阻挡粒子。
可选地，在一些实施例中，所述检查方法可以包括以下步骤：利用计算的阻挡能力值对低Z区进行材料属性分辨。例如，通过事先测量的一些物质的阻挡能力值与原子序数之间的对应表，通过查表的方式确定感兴趣区域的原子序数，从而确定材料属性。
以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了检查设备和检查方法的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本发明的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机***上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于：可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(CD)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
Claims (19)
1.一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的方法，包括以下步骤：
利用宇宙射线粒子探测器探测宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管，在所述宇宙射线粒子的作用下，所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子产生漂移；
利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点，并测量宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置；
根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；
基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置以及测量出的宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
响应于所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移，输出至少2个漂移响应信号；和
记录产生所述至少2个漂移响应信号的至少2个响应时刻，
其中，根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间，包括：
分别计算所述至少2个响应时刻与所述时间零点的差值，将所述差值分别作为所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述利用所述至少一个闪烁体，记录宇宙射线粒子入射至所述宇宙射线粒子探测器的时间零点的步骤包括：
响应于所述宇宙射线粒子入射至所述至少一个闪烁体，输出至少一个闪烁体响应信号；和
记录产生所述至少一个闪烁体响应信号的闪烁体响应时刻，将该闪烁体响应时刻确定为所述时间零点。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置的步骤包括：
基于预先建立的漂移时间与漂移距离之间的对应关系，确定所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移距离；和
基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：确定所述至少2个漂移管的编号；和根据所述编号，确定所述至少2个漂移管中每一个的中心位置，
其中，所述基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置的步骤包括：
基于所述漂移距离和所述中心位置，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
6.一种检查方法，包括以下步骤：
利用宇宙射线粒子探测器探测入射至被检查物体的宇宙射线粒子和从被检查物体出射的宇宙射线粒子，所述宇宙射线粒子探测器包括至少一个闪烁体和多个漂移管；
利用根据权利要求1-5中任一项所述的方法，重建入射至被检查物体的宇宙射线粒子的入射径迹；
利用根据权利要求1-5中任一项所述的方法，重建从被检查物体出射的宇宙射线粒子的出射径迹；
基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值；和
利用所述散射特性值，识别所述被检查物体的材料属性。
7.根据权利要求6所述的检查方法，还包括：利用所述至少一个闪烁体，测量宇宙射线粒子的平均动量。
8.根据权利要求7所述的检查方法，其中，所述基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值的步骤包括：
计算所述入射径迹与所述出射径迹之间的散射角度；
计算散射角度的均方根；和
基于所述均方根和所述平均动量，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值。
9.根据权利要求8所述的检查方法，其中，所述基于所述均方根和所述平均动量，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值的步骤包括：通过下式计算散射特性值：
其中，σθ为散射角度的均方根，p为入射粒子的平均动量，L为所述被检查物体被宇宙射线粒子穿过的材料的厚度。
10.一种用于重建宇宙射线粒子的径迹的设备，包括：
至少一个闪烁体，用于测量宇宙射线粒子入射至所述设备的时间零点并测量宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置；
多个漂移管，所述多个漂移管被配置为：在所述宇宙射线粒子作用下，所述多个漂移管中的至少2个漂移管中的带电粒子产生漂移；和
计算装置，所述计算装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时实现以下步骤：
根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间；
基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置；和
根据确定出的宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置以及测量出的宇宙射线粒子入射至所述闪烁体的位置，拟合出宇宙射线粒子的径迹。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述多个漂移管包括：
位于至少2个第一漂移管层且沿第一方向布置的多个第一漂移管；和
位于至少2个第二漂移管层且沿不同于第一方向的第二方向布置的多个第二漂移管。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，位于同一个第一漂移管层中的2个相邻的第一漂移管的中心位置之间的距离大于第一漂移管的直径。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的设备，其中，
所述多个漂移管还被配置为：响应于所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移，输出至少2个漂移响应信号；和
记录产生所述至少2个漂移响应信号的至少2个响应时刻，以及
其中，根据所述时间零点，计算所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间，包括：
分别计算所述至少2个响应时刻与所述时间零点的差值，将所述差值分别作为所述至少2个漂移管中带电粒子的漂移时间。
14.根据权利要求10-12中任一项所述的设备，其中，所述至少一个闪烁体被配置为：
响应于所述宇宙射线粒子入射至所述至少一个闪烁体，输出至少一个闪烁体响应信号；和
记录产生所述至少一个闪烁体响应信号的闪烁体响应时刻，将该闪烁体响应时刻确定为所述时间零点。
15.根据权利要求10-12中任一项所述的设备，其中，基于计算出的漂移时间，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，包括：
基于预先建立的漂移时间与漂移距离之间的对应关系，确定所述至少2个漂移管中的带电粒子的漂移距离；和
基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，当所述指令被所述处理器执行时还实现以下步骤：确定所述至少2个漂移管的编号；和根据所述编号，确定所述至少2个漂移管中每一个的中心位置，以及
其中，基于所述漂移距离，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置，包括：
基于所述漂移距离和所述中心位置，确定宇宙射线粒子入射至所述至少2个漂移管的位置。
17.一种检查设备，包括：
第一宇宙射线粒子探测器，设置在被检查物体的第一侧，用于重建入射至被检查物体的宇宙射线粒子的入射径迹；和
第二宇宙射线粒子探测器，设置在被检查物体的与所述第一侧相对的第二侧，用于重建从被检查物体出射的宇宙射线粒子的出射径迹，
其中，所述第一宇宙射线粒子探测器和所述第二宇宙射线粒子探测器中的至少一个为根据权利要求10-16中任一项所述的设备。
18.根据权利要求17所述的检查设备，还包括：控制装置，所述控制装置包括存储器和处理器，所述存储器上存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时实现以下步骤：
基于所述入射径迹和所述出射径迹，计算宇宙射线粒子在被检查物体作用下的散射特性值；和
利用所述散射特性值，识别所述被检查物体的材料属性。
19.根据权利要求18所述的检查设备，其中，当所述指令被所述处理器执行时，还实现根据权利要求7-9中任一项所述的检查方法。
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